一種雙饋風電系統的無源積分滑模控制方法
2023-05-20 01:19:01
一種雙饋風電系統的無源積分滑模控制方法
【專利摘要】本發明涉及一種雙饋風電系統的無源積分滑模控制方法，其包括如下步驟：(a)建立雙饋風力發電機Euler-Lagrange數學模型並對其嚴格無源性進行分析；(b)以能量平衡的關係為出發點，在(a)的基礎上利用阻尼注入方法設計了電流反饋無源控制器；(c)給出一種改進的積分滑模控制方法，通過積分滑模面的設計完全消除普通滑模的到達階段，將其作為外環轉速控制策略。本發明的優點在於，保證系統全局穩定並簡化了控制結構，實現了電磁轉矩、磁鏈的漸近跟蹤；消除了普通滑模的到達階段，提高了雙饋電機轉速的跟蹤速度和魯棒性；能保證風電系統安全穩定運行，為提高風力發電系統的工作效率提供了有價值的參考方案。
【專利說明】一種雙饋風電系統的無源積分滑模控制方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種雙饋風電系統控制方法，尤其是一種雙饋風電系統的無源積分滑 模控制方法，屬於風電控制【技術領域】。
【背景技術】
[0002] 隨著能源危機和環境汙染問題的日益嚴重，風能作為一種綠色可再生能源受到各 界高度重視。風力發電技術逐步成熟完善，其中以雙饋電機實現變速恆頻風力發電的技術 因其實用性和高效性得到廣泛應用。DFIG是一類典型的非線性、多變量、強耦合的高階系 統，由於存在風速的時變性、負載的不確定性以及機械阻尼隨轉速變化等影響，實際應用對 其控制要求不斷提高，傳統的反饋線性化方法已很難滿足複雜條件下DFIG穩定有效運行 的需求。
[0003] 無源性控制（PBC)因其控制器設計簡單且具有較強的魯棒性，已在DFIG的控制中 得到廣泛應用。它是一種基於能量的控制方法，通過配置無功分量以加快系統能量耗散，來 實現系統能量和狀態的漸近跟蹤。滑模控制因其較強的魯棒性和良好的動靜態響應特性常 常被用於DFIG的控制。現有的滑模控制包括到達階段和滑動階段兩部分，由於系統滑動模 型沒有到達滑動面，到達階段系統的狀態不確定且易受系統參數變化和外界擾動的影響， 系統的動態輸出沒有處於最佳狀態。
【發明內容】
[0004] 本發明的目在於克服上述現有技術中存在的不足，提供一種雙饋風電系統的無源 積分滑模控制方法，該方法結構簡單，能在保證系統穩定的基礎上實現期望的控制性能。
[0005] 為解決上述技術問題，本發明採用如下技術方案：
[0006] -種雙饋風電系統的無源積分滑模控制方法包括如下步驟：
[0007] (a)建立雙饋風力發電機Euler-Lagrange數學模型，並對建立的雙饋風力發電機 Euler-Lagrange數學模型嚴格無源性進行分析；
[0008] (b)以能量平衡的關係為出發點，在步驟（a)雙饋風力發電機Euler-Lagrange數 學模型的基礎上利用阻尼注入方法構成電流反饋無源控制器；
[0009] (c)將改進的積分滑模控制方法作為步驟（b)所述電流反饋無源控制器外環轉速 控制方法，所述改進的積分滑模控制方法是在傳統的滑模面中加入具有非零初始點的積分 項，保證滑動面一開始就為零。
[0010] 所述步驟（a)中建立雙饋風力發電機Euler-Lagrange數學模型的方法如下：
[0011] 首先建立DFIG在同步旋轉dq坐標系下的數學模型：
【權利要求】
1. 一種雙饋風電系統的無源積分滑模控制方法，其特徵是，所述補償控制方法包括如 下步驟： (a) 建立雙饋風力發電機Euler-Lagrange數學模型，並對建立的雙饋風力發電機 Euler-Lagrange數學模型嚴格無源性進行分析； (b) 以能量平衡的關係為出發點，在步驟（a)雙饋風力發電機Euler-Lagrange數學模 型的基礎上利用阻尼注入方法構成電流反饋無源控制器； (c) 將改進的積分滑模控制方法作為步驟（b)所述電流反饋無源控制器外環轉速控制 方法，所述改進的積分滑模控制方法是在傳統的滑模面中加入具有非零初始點的積分項， 保證滑動面一開始就為零。
2. 根據權利要求1所述的一種雙饋風電系統的無源積分滑模控制方法，其特徵是，所 述步驟（a)中建立雙饋風力發電機Euler-Lagrange數學模型的方法如下： 首先建立DFIG在同步旋轉dq坐標系下的數學模型：
Jpw+D' w=TL-Te(2) TenpLm (iSqir(jis(jirq) (3) 其中，Rs、R,分別為定、轉子電阻，Ls、L,分別為定、轉子電感，Lm為互感，usd、usq分別為 定子電壓d、q軸分量，uri、u"j分別為轉子電壓d、q軸分量，isd、iS(1分別為定子電流d、q軸 分量，iri、I分別為轉子電流d、q軸分量，J為轉動慣量，D'為阻尼係數，p為微分算子，IV、 分別為負載轉矩和電磁轉矩，np是極對數，轉差角速度ws =WfW，其中^為定子同步電 角速度，w為轉子機械角速度； 將DFIG模型改為Euler-Lagrange方程形式：
其中，D和R為正定陣，C(x，ws)為反對稱矩陣，因C(x，ws) =-C(x，ws)T，所以xTC(x，ws)x= 0 ;T表示矩陣轉置。
3. 根據權利要求1所述的一種雙饋風電系統的無源積分滑模控制方法，其特徵是，所 述步驟（a)中，對建立的雙饋風力發電機Euler-Lagrange數學模型的嚴格無源性分析如 下：選擇雙饋風力發電機的能量存儲函數
，對其求導並將式（4)代入得：
設能量供應率s=xTu，正定矩陣Q=xtRX，將式（5)兩邊同時積分 ：
式（6)左端為雙饋風力發電機系統的能量增量，右邊為外部能量供應，可以看出系統 是嚴格無源的；同時將
作為Lyapunov函數，能量存儲函數的衰減特性也驗證了系 統的Lyapunov穩定性。
4.根據權利要求1所述的一種雙饋風電系統的無源積分滑模控制方法，其特徵在於， 所述步驟（c)中改進的積分滑模控制方法包括滑動面的選取方法和控制律的設計方法，其 中滑動面的選取方法如下： 根據式（2)、（3)可得轉速導數：
設w#(t)為期望的轉子轉速，則轉速誤差：ev(t) =w(t)-w*(t) (16) 則轉速誤差導數：
在傳統的滑模面中加入具有非零初始點的積分項，滑動面如下：s(t) =ev(t)+C〇e〇(t) (18) 其中，Q為滑模面係數，ejt)為誤差積累項。
其中，ev(0)為轉速初始誤差，由於存在非零初始值％(0)，在t= 0時，對於任意給定ev(0)都能使式（18)滿足s(0) = 0 ; 將式（19)代入（18)並求導得：
令卟) = 得到理想的等效控制結果：
由於系統存在參數不確定性和負載擾動變化，式（21)不能作為實際的期望轉矩值，需 對其進行補償。 將式（21)代入誤差系統式（17)，得到轉速誤差控制系統：
利用估計的名義參數將實際轉速誤差系統（17)表示為名義模型形式：
其中，，和為D'和J估計的名義參數，則轉矩期望值：
採用線性二次型最優控制方法來獲取增益K，性能指標如下：
其中，q>0，r>0,他們分別為誤差和控制量的權係數。則使性能指標（25)最小的增 M :
其中，P為黎卡提方程（27)的解；
則得到滑模面係數：
控制律的設計方法如下，滑動模態的存在條件：
採用滿足式（29)的等效控制和切換控制相結合的控制律：
根據式（21)選擇等效控制項Ueq(t)如下：
採用指數趨近律的切換控制項消除系統不確定和負載擾動的影響，切換控制項選擇如 下： AU(t) = -nsgn(s(t))-ks(t) (32) 其中，*>a">|7i(/)，sgn( ?)為切換函數。
5.根據權利要求4所述的一種雙饋風電系統的無源積分滑模控制方法，其特徵是，所述滑動面係數採用名義滑模控制和線性二次型最優控制方法獲取。
【文檔編號】G06F19/00GK104410107SQ201410707965
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年11月27日 優先權日:2014年11月27日
【發明者】李泰 , 侯小燕, 蓋志強, 趙黎, 曾慶軍, 李傳宏, 張永林, 楊德亮 申請人:江蘇科技大學